Описание опытной установки и методика проведения эксперимента

Цель лабораторной работы: изучение стационарной теплопроводности.

Содержание лабораторной работы: экспериментальное определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала и выявление его температурной зависимости.

Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала и выявление его температурной зависимости проводится методом трубы на виртуальной экспериментальной установке.

Схема установки для определения коэффициента теплопроводности методом трубы представлена на рис. 3.

Исследуемый теплоизоляционный материал 1 (рис. 3) нанесен в виде цилиндрического слоя (d₁ = 20 мм, d₂ = 50 мм) на наружную поверхность металлической трубы 2. Длина цилиндра тепловой изоляции l = 1 м, что значительно больше наружного диаметра.

Источником теплового потока служит электронагреватель 3, который включен в электрическую цепь через автотрансформатор 10. Значение теплового потока вычисляется по закону Джоуля-Ленца при прохождении электрического тока через нагреватель. Падение напряжения и сила тока, проходящего через электронагреватель определяются вольтметром 8 и амперметром 9. Потери теплоты через торцевые поверхности сведены к минимуму.

Рис.1. Схема установки для определения коэффициента

теплопроводности методом трубы:

1 – теплоизоляционный материал; 2 – металлическая труба; 3 – электронагреватель; 4, 5 – термопары; 6, 7 – цифровые термометры; 8 – вольтметр; 9 – амперметр; 10 – автотрансформатор

Для измерения температуры на наружной и внутренней поверхности теплоизоляционного материала применяются хромель-копелевые термопары 4 и 5. Электродвижущие силы, возникающие в термопарах, преобразуются в температуры, значения которых регистрируют цифровые термометры 6 и 7.

Обработка результатов экспериментального исследования

Значения коэффициентов теплопроводности теплоизоляционного материала определяется экспериментально при различных температурах. Проводится не менее трех опытов. После этого находится зависимость значений  от температуры.

При проведении эксперимента задаются значениями напряжения и силы тока в электронагревателе.

Пример данных эксперимента приведен в табл. 3.

Таблица 3

Опытные данные по исследованию коэффициента теплопроводности

Исследуемый материал – асбест .

№№пп	Измеряемая величина		№ опыта
			1	2	3	4	5
1	Сила тока I, А		0,33	0,39	0,43	0,46	0,49
2	Напряжение U, В		50	60	66	71	77
3	Температура на по- верхности изоляции	внутри tс1, оС	49,9	60	67,8	74,3	81,5
4		снаружи tс2, оС	32,1	35,6	38,1	40,2	42,6

Последовательность обработки опытных данных и расчет значения коэффициента теплопроводности λ приводится для данных второго опыта. Тепловой поток, передаваемый теплопроводностью через слой асбеста, определяется по закону Джоуля-Ленца:

Q = U∙I = 60∙0,33 = 16,5 Вт. (24)

Средняя температура слоя асбеста:

t = = = 41 ^оС. (25)

Коэффициент теплопроводности асбеста при средней температуре:

λ_оп = = = 0,136 Вт/(м.К). (26)

Теоретическое значение коэффициента теплопроводности асбеста при температуре t = 49,9 ^оС:

_т = ₀ + bt_с1 =0,127 + 1910^-549,49= 0,136 Вт/(м.К). (27)

Относительное расхождение опытного и расчетного значений коэффициентов теплопроводности составляет:

0,5 % . (28)

Аналогичный расчет проводится и по другим опытам.

Результаты расчетов должны быть представлены в табл. 4.

Таблица 4

Опытные данные по исследованию коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала

Исследуемый материал – асбест .

№№пп	Параметр	№ опыта
		1	2	3	4	5
1	Внутренний слоя изоляции d1, мм	20
2	Наружный слоя изоляции d2, мм	50
3	Тепловой поток Q, Вт	16,5	23,4	28,38	32,66	37,73
4	Средняя температура слоя изоляции t, оС	41	47,8	52,95	57,25	62,05
5	Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м.К)	0,136	0,138	0,140	0,141	0,142
6	Температурный коэффициент b, Вт/(м.оС2)	0,00019

По результатам расчетов строится в масштабе график зависимости коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала от средней температуры. Графически, или с использованием математических методов определяется коэффициент b, характеризующий влияние температуры на теплопроводность материала. При обработке опытных данных следует использовать линейную зависимость (7).

Как видно из данных табл. 4 и рис. 3, полученные значения коэффициента теплопроводности асбеста хорошо согласуются с теоретическими значениями. В исследуемом диапазоне температур наблюдается увеличение значений коэффициента теплопроводности асбеста.

Рис. 4. Температурная зависимость коэффициента теплопроводности асбеста

Увеличение численных значений коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов с ростом температуры объясняется повышением значений коэффициента теплопроводности воздуха, заполняющего поровое пространство.